Adquisición de una alta precisión Skilled Miembro Anterior Alcanzar Tarea en Ratas

Resumen

A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.

Resumen

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor learning and execution is of critical importance in order to understand the principles and processes that underlie motor function. Here we present a paradigm to study movement acquisition within a daily session of training (within-session) representing the fast learning component and primary acquisition as well as skilled motor learning over several training sessions (between-session) representing the slow learning component and consolidation of the learned task. This behavioral paradigm increases the degree of difficulty and complexity of the motor skill task due to two features: First, the animal realigns its body prior to each pellet retrieval forcing renewed orientation and preventing movement execution from the same angle. Second, pellets are grasped from a vertical post that matches the diameter of the pellet and is placed in front of the cage. This requires a precise grasp for successful pellet retrieval and thus prevents simple pulling of the pellet towards the animal. In combination with novel genetics, imaging and electrophysiological technologies, this behavioral method will aid to understand the morphological, anatomical and molecular underpinnings of motor learning and memory.

Introducción

Control de movimiento es una función básica del sistema nervioso central (SNC). Motricity es la principal salida mensurable de la función del SNC y la posibilidad principal para que las personas interactúan con el mundo externo. La comprensión de los principios de la función motora y los mecanismos que subyacen en el aprendizaje de una tarea motora es actualmente uno de los grandes retos de la neurociencia. No se encontraron cambios morfológicos, fisiológicos y moleculares en la adquisición de una nueva tarea motora. Por ejemplo, la forma y el número de sinapsis cambian en respuesta al entrenamiento motor experto ^1-5, y no se observaron cambios funcionales de la maquinaria sináptica después de aprendizaje motor. Las respuestas sinápticas fueron mayores en las conexiones de la región de la extremidad anterior-representación de de la corteza motora entrenado en comparación con el hemisferio no entrenado del mismo animal o a las respuestas procedentes de animales no entrenados ^6,7. Observaciones electrofisiológicas también sugieren que la potenciación a largo plazo (LTP) y largo-término depresión (LTD) como mecanismos tienen lugar durante el aprendizaje de una nueva habilidad motora, y que el rango de operación sináptica, que se define entre las fronteras limitantes de LTP y la saturación LTD, se modifica ^8. Además, se ha demostrado que los marcadores de actividad y plasticidad que promueven moléculas tales como c-fos, GAP-43, o BDNF, sino también de plasticidad moléculas inhibidoras tales como Nogo-A de visualización de funciones de regulación para el aprendizaje relacionadas con la plasticidad ^{neuronal-9-16.}

Estos avances hacia una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes de aprendizaje motor sólo podrían lograrse con el uso de paradigmas de comportamiento que permiten un control preciso de la adquisición de una nueva habilidad motora, por ejemplo, llegar a la extremidad anterior cualificados. Sólo una tarea conductual bien estructurada permite monitorizar y capturar los cambios correlativos que se producen en el aprendizaje y la ejecución de la tarea en cuestión. Aquí se demuestra visualmente una versión modificada de la extremidad anterior expertouna sola pastilla llegar tarea en ratas adaptados de Buitrago et al. ¹⁷ El paradigma presentado permite el análisis de la adquisición de movimiento dentro de una sesión de entrenamiento al día (dentro del período de sesiones), que representa el componente de rápido aprendizaje y adquisición de primaria, así como el aprendizaje motor calificado en varias sesiones (entre sesiones) que representa el componente de aprendizaje lento y mantenimiento de la tarea aprendida ^18. Es importante destacar que este paradigma de comportamiento aumenta el grado de dificultad y complejidad de la tarea de habilidades motoras debido a dos características: en primer lugar, las ratas están capacitados para dar vuelta alrededor de su eje después de cada agarre y por lo tanto para realinear su cuerpo antes de la siguiente alcance de pellets y renovar la orientación del cuerpo, impidiendo la ejecución movimiento constante desde el mismo ángulo. En segundo lugar, los gránulos se recuperan de un poste vertical colocado delante de la jaula. Debido al pequeño diámetro del puesto, los pellets pueden ser fácilmente iniciaron requiere un conocimiento preciso para la recuperación y la p exitosareventing sencilla tirando de la pastilla hacia el animal.

Estas pruebas de comportamiento complejo permite una visión más profunda de los mecanismos subyacentes aprendizaje motor. En comparación con los ratones, las ratas son superiores en su desempeño de las tareas de comportamiento complejas y por lo tanto más adecuado para paradigmas complejos tal como se presenta en este estudio. Teniendo en cuenta las crecientes posibilidades genéticas disponibles para ratas ^19,20, la combinación de los métodos de prueba de comportamiento precisas y bien controlados con manipulaciones genéticas, imágenes y técnicas fisiológicas representa una potente caja de herramientas para comprender mejor las bases neurobiológicas de aprendizaje motor y la memoria.

Protocolo

Todos los experimentos se realizaron de acuerdo con las directrices de la Oficina Veterinaria del Cantón de Zurich, Suiza.

1. Animal Manipulación y habituación

1. Manejo Animal
   Nota: 5 días antes del comienzo del experimento, realizar el paso 1.1.1 diaria.
   1. Para los experimentos de comportamiento, acostumbrar a los animales para el experimentador. Han manejo diario de sesiones que duran 10-15 minutos por animal. Limpie la caja después de la sesión de cada animal.
      1. Inicialmente, coloque la mano del experimentador en una jaula que permite al animal para explorar y oler a familiarizarse con el experimentador.
      2. A continuación, levante suavemente el animal con la mano del experimentador de una manera segura sujetando el cuerpo de la rata entre las patas delanteros y traseros que permiten mayor familiarización.
   2. Pesar cada animal al día para obtener un peso corporal basal antes de la privación de alimentos.
2. Aparato habituación y familiarización de Alimentos
   1. Pesar cada animal al día para obtener un peso corporal basal antes de la privación de alimentos.
   2. Iniciar alimentos privando ratas 3 días anteriores al inicio del pre-entrenamiento con una dieta estándar de laboratorio. Dé ratas 0,05 g de alimento por 1 g de peso corporal por día (por ejemplo, una rata de pesaje 200 g, comenzar con 10 g de alimento). Asegúrese de peso corporal a no disminuir más de 10% por día mediante el control de peso corporal al día.
      1. Si varios animales se llevan a cabo en una jaula, ratas dominantes pueden comer más que las menos dominantes. En caso de que el peso del cuerpo de una disminución de los animales, alimentar a los animales por separado en lugar de alimentación de grupos. Danos agua ad libitum.
   3. Dar a conocer a la rata con el aparato de captación, coloque el animal en el cuadro de la formación (Figura 1). Tener gránulos de azúcar colocados en el cuadro de la formación en la proximidad de la abertura de ranura para familiarizar al animal con las bolitas de comida. Realice este step 10-15 minutos al día durante 3 días.

2. Pre-entrenamiento y aprendizaje de habilidades motoras

1. Pre-entrenamiento
   1. Un día después de la familiarización, coloque el animal en el cuadro de la formación y colocar la pastilla de cerca a la abertura de ranura por lo que se puede llegar por la lengua del animal. Excluir los animales que recuperan pellets con su extremidad anterior durante la pre-entrenamiento
      Nota: En esta etapa, la recuperación de pellets con la lengua es crucial y por lo general el método del animal de elección. Los pellets deben ser en ningún caso captado con la extremidad anterior hasta el primer día de aprendizaje de habilidades motoras para permitir un seguimiento adecuado de la tarea de llegar a aprender. La recuperación de pellets con la extremidad anterior durante la pre-formación es un criterio de exclusión y se encuentra en la mayoría de los casos no observados.
   2. Enseñe a la rata ya sea correr hacia la parte trasera de la caja y volver a la abertura de ranura o un paso atrás y girar sobre su propio eje con el fin de recibir la siguiente bola de comida conla lengua. Dé tiempo para que el animal pueda explorar la jaula, correr hacia atrás y volver a la abertura de ranura. Si el animal no se ejecuta correctamente la tarea, utilice una pinza para golpear suavemente en la parte trasera final de la jaula y atraer la atención del animal. Una vez que el animal es en la parte trasera, golpee suavemente en la parte delantera jaula para guiar el animal a la abertura de ranura.
      Nota: Una vez que el animal alcanza un valor estándar definido (por ejemplo, 50 recuperaciones de pellets de éxito con la lengua en menos de 15 min), el animal califica para la etapa de aprendizaje de habilidades motoras. El día 1 y 2 de la pre-formación, los alumnos ya pueden distinguirse de los no estudiantes. Los no principiantes pueden ser excluidos del estudio en este paso. Esto disminuye la probabilidad de tener un alto número de no estudiantes durante la etapa de aprendizaje motor (2.2).
   3. Durante la pre-entrenamiento, comida privar ratas con una dieta estándar de laboratorio. Danos agua ad libitum. Vigilar el peso corporal al día durante todo el estudio. HacerNo utilice misma habitación para entrenar ratas machos y hembras. Asegurar un ambiente tranquilo y libre de ruidos para el animal.
2. Determinación de Preferencia de la pata y el aprendizaje de habilidades motoras
   1. Durante el primer período de sesiones de aprendizaje de habilidades motoras, reemplace la diapositiva en frente de la ventana con un mensaje. Coloque la pastilla de azúcar alrededor de 1,5 cm de distancia de la ventana en el post para que el animal no puede llegar a la pastilla con la lengua, pero sólo recuperarlo por un miembro anterior preciso alcanzar y agarrar el movimiento.
      1. Para hacer cumplir la recuperación de pellet por la extremidad anterior, utilizar un fórceps para llevar suavemente el sedimento cerca de la boca del animal y retraiga el sedimento mientras el animal intenta consumo con la lengua. Llevar a cabo esta tarea de forma repetitiva hasta que el animal se extiende la extremidad anterior y agarra un pellet.
   2. Coloque el poste central de la abertura de la ventana. Para determinar la preferencia de la pata, observar cuidadosamente los primeros 10 ensayos en la jornada de formación 1. Más del 70% de la reacintentos hing (es decir, 7 de cada 10) tienen que ser ejecutados con la misma extremidad anterior. Si esto no se logra, continúe con otra ronda de 10 ensayos hasta que se alcanza el umbral del 70%.
   3. Después de la determinación de preferencias de la pata, cambiar el mensaje hacia la extremidad anterior preferido y alinear central en el borde de la abertura de la ventana. La alineación de la pata preferido significa el poste se desplaza en contra de la respectiva pata para permitir un ángulo óptimo para llegar a (Figura 1B, C).
   4. Clasifique un juicio, que se define como una nueva pastilla presentado al animal, el mismo éxito (alcanzar, agarrar, recuperar y comer la pastilla), gota (alcanzar, agarrar y perder pellet durante la recuperación) o no (knock pellet en el poste). Tome nota de cada prueba en su hoja y analizar los datos después del experimento.
   5. Realice una sesión diaria que consiste en un número definido de ensayos (por ejemplo, 150) o un tiempo máximo (por ejemplo, 1 hr) para cada animal.
   6. Investigar la precisión y la puesta a puntodel movimiento usando primer análisis intento. Un primer intento se define por el agarre del pellet en un solo movimiento monolítico sin interrupción, vacilación o repetición de componentes de movimiento individuales. Observe cuidadosamente cada uno agarre por la rata.
      1. Si la rata vacila o se retrae durante un alcance o intente varios ensayos para comprender correctamente la pastilla, tenga en cuenta el juicio respectivo como el éxito, pero no el primer intento. Si el animal capta con éxito el precipitado en un solo alcance monolítico, anotar el juicio respectivo tan exitoso primer intento en una columna separada en su hoja.
   7. Durante el aprendizaje de habilidades motoras, comida privar ratas con una dieta estándar de laboratorio. Danos agua ad libitum. Vigilar el peso corporal al día durante todo el estudio.

Resultados

Adquisición de habilidades motoras éxito se logra sólo a través de la práctica constante. A pesar de una cuidadosa consideración de todos los aspectos, algunas ratas no aprenden la tarea (Figura 2). Estos "no educandos ya sea carecen de motivación que resulta en pocas o ausentes los intentos de recuperación de pellets desde el inicio del experimento o generalmente pierden interés en llegar a las pastillas que llevan a fallado continuamente intentos. Por el contrario, algunos animales muest...

Discusión

El paradigma se muestra en este estudio es una adaptación de Buitrago et al ¹⁸ y difiere de la pastilla única clásica alcanzar paradigma ¹⁷ principalmente en dos aspectos.:

En primer lugar, el estudio de mejora dentro de la sesión permite el análisis de la tarea aprendida dentro de un solo día, que puede proporcionar un nivel diferente de la información, tales como la investigación del componente de aprendizaje rápido en comparación con el componente ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Training box			Self Made
Pedestal			Self Made
Sugar pellets	TSE Systems Intl. Group		45 mg dustless precision pellets
Sprague Dawley rats			5-6 week old males
Laptop computer	Hewlett Packard
Stop Watch
Forceps	Fine Science Tools (FST)
Excel	Microsoft
Prism	GraphPad
Weighing scale
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